Mines Physique 1 PSI 2008 — Énoncé 1/5
´
ECOLE NATIONALE DES PONTSET CHAUSS ´
EES.
´
ECOLESNATIONALES SUP´
ERIEURESDE LA´
ERONAUTIQUE ET DE LESPACE,
DE TECHNIQUESAVANC´
EES,DEST´
EL ´
ECOMMUNICATIONS,
DESMINESDEPARIS,DESMINESDESAINT´
ETIENNE,DESMINESDENANCY,
DEST´
EL ´
ECOMMUNICATIONSDEBRETAGNE,
´
ECOLE POLYTECHNIQUE(FILI`
ERE TSI)
CONCOURS DADMISSION 2008
PREMI `
ERE´
EPREUVEDEPHYSIQUE
Fili`
ere PSI
(Dur´
ee del´
epreuve:3heures)
Lusagedelacalculatrice estautoris´
e
Sujetmis `
adisposition desconcours:ENSAEParisTech,ENSTIM,T´
el´
ecomSudParis (exINT),
TPEEIVP,Cycle international
Lescandidats sontpri´
esdementionnerdefac¸on apparentesurla premi`
erepagedelacopie:
PHYSIQUEIPSI.
L´
enonc´
ede cette´
epreuve comporte5 pages.
Si, aucoursdel’´
epreuve,un candidatrep`
ere ce quiluisemble ˆ
etreune erreurd´
enonc´
e,il estinvit´
e`
ale
signalersursa copie et`
apoursuivresa compositionenexpliquantlesraisonsdesinitiativesquil aura´
et´
e
amen´
e`
aprendre.
Ilnefaudrapash´
esiter`
aformulerlescommentaires(incluantdesconsid´
erationsnum´
eriques)quivous
semblerontpertinents,mˆ
eme lorsquel’´
enonc´
enele demandepasexplicitement. Labar`
eme tiendra compte
de cesinitiativesainsiquedesqualit´
esder´
edaction dela copie.
MOD´
ELISATION DESDUNESDESABLE
Ce probl`
eme,dont lasource est lath`
esedeF.RIOUAL(2002),abordequelquesaspectsdespropri´
et´
es
desmilieux granulaires.Lesdiff´
erentespartiesde cette´
epreuvesont largement ind´
ependantesentre
elles.Lesdeux premi`
eresconcernent ladescription microscopiquedesinteractionsentreparticulesde
milieux granulaires.Latroisi`
emepartie concerneladynamiquedelaformation deridesdesabledans
lesd´
eserts.Danstoutel´
epreuve,exprimersigniedonnerune expression litt´
erale etcalculersignie
donnerunevaleurnum´
erique.Laquantit´
exd´
esignelad´
eriv´
ee totaledexpar rapportautempst.Les
vecteurs sontnot´
esavec un chapeausils sontunitairesb
ux,avec une`
eche
vdansle cascontraire.
I.Collisions sansperte d´
energie:Lemod`
eledeHertz
Lorsdun chocfrontalentredeux billes sph´
eriqueshomog`
enes,l´
energie cin´
etiqueinitiale estdabord
convertie en´
energieded´
eformation Edpuisrestitu´
ee sousformed´
energie cin´
etique.
Figure1
Lorsquelesdeux billes sontencompression lunepar rap-
port`
alautre,un m´
eplatcirculairedediam`
etreaapparaˆ
ıt
autourdu pointde contact initial(Fig.1).On note2
δ
lalon-
gueurdinterp´
en´
etration desdeux billesquelon consid`
ere
identiquesdemassem,derayon Retdemassevolumique
ρ
b=3m/(4
π
R3).Dansler´
ef´
erentieldu centredemasse,
elles sed´
eplacentsurun axehorizontalavec desvitessesde
mˆ
ememodulevetdesensoppos´
es.Le contactavec lasur-
face (S)sefait sansfrottementeton n´
egligelemouvement
derotation desbilles.
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Mines Physique 1 PSI 2008 — Énoncé 2/5
Quand ladistance entrelesdeux centresdebillesdevient inf´
erieure au diam`
etredunebille,elles
entrentencontactetsubissentuned´
eformation ´
elastique,souslaction duneforce,quinadesens
physiquequepour
δ
0,dont lemodule estnot´
eFde.Si lon notePlapression moyenne agissant
surlasurface de contact,laloideHookestipuleque
P=Fde
4
π
a2=
εδ
a
o`
u
ε
estune constantepositive appel´
ee moduledeYoung delabille etquicaract´
eriseson ´
elasticit´
e.
Danscettepartie,la collision estsuppos´
ee ˆ
etre´
elastique,cest-`
a-direquel´
energiem´
ecaniquetotale
du syst`
emedesdeux billesest identique avantetapr`
esle choc(apr`
esquelesbilles sesonts´
epar´
ees).
Onconsid`
eredanstoute cettepartieque
δ
R.
1V´
erierque
ε
esthomog`
ene`
aunepression.Montrerqu`
alordre1en
δ
/R,lediam`
etredu
m´
eplats´
ecrit a=22R
δ
.Onconservera cette expression danstout leprobl`
eme.
2Donnerlexpression du moduleFdedelaforce ded´
eformation enfonction deR,
δ
et
ε
.En
d´
eduire,l´
energiepotentielleEpdontd´
erive cetteforce.On prendraEp0.
Figure2
3On notex1etx2lesabscissesrespectivesdescentres
desbilles(Fig.2).Quand ladistance entre cescentresest
inf´
erieure au diam`
etre,donnerlarelation entre
δ
,x1,x2et
R.En d´
eduirex
1=dx1/dtenfonction de
δ
=d
δ
/dt.
4Exprimerl´
energiem´
ecaniquetotaleEmdesdeux
billespendant le choc enfonction deR,
ε
,m,
δ
et
δ
?
5Pourquoi laquantit´
edemouvementdu syst`
eme
constitu´
eparlesdeux billesest-ellelamˆ
eme avantetapr`
es
le choc ? Quelle est larelation simpleliant lesvitesses
w1et
w2desbillesunefoisquelles sesonts´
epar´
ees?
6Quelle est larelation liantv`
alanormedesvecteurs
wdelaquestion 5 ?
7D´
eterminerlavaleurmaximale
δ
matteintepar
δ
aucoursdela collision enfonction de
ρ
b,v,
ε
etR.Que constatez-vouspourlad´
eformation maximaleum=
δ
m/R?
8En utilisant lexpression del´
energiem´
ecaniquetotaleEm,d´
eterminerladur´
ee
τ
dela colli-
sion,cest-`
a-direletempspendant lequel lesbillesrestentencontact.Onexprimera
τ
enfonction de
ε
,m,v,Retdelint´
egrale
I=Z1
0
du
p1u5/2
9Application num´
erique:calculer
τ
etumpourdesparticulesdesabledevitessev=3,00 m.s1,
demoduledeYoung
ε
=7,00×1010 Pa etdemassevolumique
ρ
b=2,50×103kg.m3danslesdeux
cas suivants:R=1,00×104metR=1,00×103m.On donneI1,47.On v´
erieraqueler´
esultat
estexprim´
e ensecondes.
FIN DELA PARTIEI
II.Collisionsavec perte d´
energie
Figure3
Onconsid`
eremaintenantdeux billesd´
eformables
in´
elastiques sed´
eplac¸antsurun axehorizontalavec
lesvitesses
v1=v1b
uxpourlaparticule`
agauche et
v2=v2b
uxpourlaparticule`
adroite.
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Mines Physique 1 PSI 2008 — Énoncé 3/5
Onconsid`
erev1>v2: il yadonc collision ; lesvitessesapr`
esle chocsontnot´
ees
w1=w1b
uxet
w2=w2b
ux.Onsupposequela collision est instantan´
ee ; le coefcientderestitution,not´
ee,estd´
eni
parlarelation
e=w2w1
v2v1
10 Laquantit´
edemouvementdu syst`
eme constitu´
eparlesdeux billesest-ellelamˆ
eme avant
etapr`
esle choc ?
11 Exprimer,enfonction dev1,v2,mete,laperted´
energie cin´
etiquedesdeux billescaus´
ee
parla collision.
12 PourtoutelasuitedelapartieII,on supposed´
esormaisquev1=v2=v(chocdeplein
fouet).Exprimerlaperted´
energie cin´
etiquedesdeux billesli´
ee auchoc,enfonction dem,eetv.
13 Aucoursdela collision,lad´
eformation rapidedelabille,damplitudemaximale
δ
m,est
maintenantsource dedissipation.Ce ph´
enom`
ene estassoci´
e`
auneforce demoduleFd.Onsuppose
que cetteforce estreli´
ee `
alaforce ´
elastiquenon dissipativeFdedelapartieIparlarelation
Fd=A
δ
Fde
∂ δ
Quelle est ladimension dela constantepositiveA?Exprimer,souslaformeduneint´
egralesur
lintervalle[0,
δ
m],l´
energieUddissip´
ee aucoursdela collision enfonction deA,
ε
,R,
δ
,
δ
et
δ
m.
14 Onsupposequel´
energiedissip´
ee estfaibledevant l´
energie cin´
etiqueinitiale.En´
ecrivant
un bilan´
energ´
etique,justierquependant la collision on puisse´
ecrire
δ
2=v2 116
π
2R
5mv2
εδ
5/2!
Exprimer
δ
enfonction de
ε
,R,
δ
m,mety=
δ
/
δ
m.
15 D´
eduiredelaquestion pr´
ec´
edentequel´
energiedissip´
ee lorsdela collision estdelaforme
Ud=Av
β
f(
ε
,R,m)
o`
u
β
estune constante`
ad´
etermineretfunefonction sansint´
erˆ
et ici.On v´
erieraque
β
estvoisin de
2.
16 Lath´
eoriedeKuwabara etKono pr´
evoit quelon puisseramenerla collision deplein
fouetdesdeux particulesd´
eformablesdissipatives,`
aune collision instantan´
ee avec un coefcientde
restitution effectiftr`
esprochede1 quid´
epend delavitessedimpactdetellemani`
ereque1esoit
proportionnel`
av1/5.Justiercetteth´
eorie enconsid´
erantquelatotalit´
edelaperted´
energie cin´
etique
estdissip´
ee lorsdela collision.
17 Expliquerqualitativementpourquoi le coefcientderestitution tend vers1 pourlesfaibles
vitesses.Ce coefcientest-il unepropri´
et´
edesparticulesou unepropri´
et´
edela collision ?
FIN DELA PARTIEII
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Mines Physique 1 PSI 2008 — Énoncé 4/5
III.Letransport´
eolien du sable:Lemod`
eled’Anderson
Figure4
Figure5
Lesrides´
eoliennes sontdesmotifsquised´
eveloppent,par
exempledanslesd´
eserts,`
apartirdun solplat,perpendicu-
lairement`
aladirection du vent(Fig.4).Oncherchedans
cettepartie`
amod´
eliserleur formation.R´
eguli`
erement,le
d´
esertestsoumis`
aun ventsufsammentfortpourempor-
terdesgrainsdesablesurdesdistancesimportantes:ce
m´
ecanisme estappel´
esaltation.Puisquelevent lesatri´
es,
on admettraquelesgrainsensaltation sont tousentraˆ
ın´
es`
a
lamˆ
emevitesse,etont tous`
apeu pr`
eslamˆ
ememassem.
Ainsi,ils suivent tous,enmoyenne,lamˆ
emetrajectoire.
En particulier,leursanglesdimpactsurlasurface sableusesontenmoyenne´
egaux etdelordre
de14 degr´
es.On note
α
cetangle caract´
eristique(Fig.5).La collision dun grain desablesurle
solproduit localement l´
ejection deplusieursparticules`
adesvitessesplusfaiblesquelavitesse
delaparticuleincidente.Lesparticules´
eject´
eesretombentsurlelit desable au voisinagedu point
dimpact ; ce ph´
enom`
ene estappel´
ereptation.Ladistance caract´
eristiquedeparcoursdesgrainsen
reptation estnot´
ee r.Onsupposequelelit desable estform´
ederidesinvariantespartranslation dans
ladirection perpendiculaire au ventdesable.Lahauteurdu lit desablened´
epend alorsquedune
seulevariabledespace not´
ee xetdu tempst;on lanoteh(x,t).OnappelleQ(x,t)lamassedegrains
transport´
es`
alabscissexet`
alinstanttparunit´
edetempsetparunit´
edelargeur;on rappelleque
[Q]=[M][L]1[T]1.Ce ux parunit´
edelargeurest lasommededeux contributions,celledesgrains
enreptation,not´
ee Qr,etcelledesgrainsensaltation,not´
ee Qs.Onsupposedanstoute cettepartie
queleux desgrainsensaltation estconstantetuniforme avec uneincidence xedangle
α
.On note
enn
ρ
lamassevolumiquedu lit degrains,quelon supposeuniforme etconstante.
18 En´
ecrivant la conservation localedelamassesurunetranchedegrainsdextension
δ
xet
delargeurL,´
etablirlarelation
h(x,t)
t+1
ρ
Q(x,t)
x=0
19 Soit Ne(x,t)lenombredegrains´
eject´
es`
alabscissexparunit´
edetempsetdesurface ;on
rappellequeleux dereptation estdonn´
epar
Qr(x,t)=mZx
xr
Ne(u,t)du
d´
eterminerl´
equation aux d´
eriv´
eespartiellesreliant lesfonctionshetNe.
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Mines Physique 1 PSI 2008 — Énoncé 5/5
Figure6:Saltation surun lit plat(a),etsurun
lit depentelocale
θ
(b).Laquantit´
ed
µ
repr´
e-
-senteun volume´
el´
ementairedegrainsen
saltation.
20 On noteNolenombredegrainsensaltation
arrivantsurunesurface horizontaleparunit´
edetemps
etdesurface.Soit nladensit´
edegrainsdevitesse
varrivantsurunesurface horizontale avec uneincli-
naison
α
.Lenombredegrainsarrivantsurunesur-
face daireSpendant letempsdtestdoncdN=n d
µ
(VoirFig.6).ExprimerNoenfonction den,vet
α
.
En d´
eduirequelenombreNsdegrainsensaltation
parunit´
edesurface etdetempsentrantencollision
avec lelit `
alabscissexestdonn´
eparlarelation
Ns(
θ
)=No1+tan(
θ
)
tan(
α
)cos(
θ
)
21 ´
Etablirl´
equation aux d´
eriv´
eespartiellesreliant lesfonctions
θ
(x,t)eth(x,t).
22 Lemod`
eledAnderson consiste`
asupposerquelenombredegrains´
eject´
esdu lit estpro-
portionnelau nombredegrainsensaltation Ns:Ne(x,t)=noNs(x,t),o`
unoest lenombredegrains
´
eject´
eslorsdune collision.Souscettehypoth`
ese,etensappuyantsurler´
esultatdelaquestion 19,
´
etablirl´
equation d´
evolution deh(x,t)enfonction dem,no,
ρ
,Ns(x,t)etNs(xr,t).
23 D´
eduirede cette´
etudel´
equation suivante
h
t=mnoNo
ρ
tan(
α
)tan(
α
)+
h
xcos(
θ
)x
xr
24 Montrerqueh(x,t)=ho=cste estunesolution possibledel´
equation delaquestion 23 (on
lanommesolution triviale).
Oncherchedor´
enavant`
a analyserlastabilit´
edelasolution trivialedansler´
egimedespetitesincli-
naisons.Onconsid`
eredoncque cos(
θ
(x,t)) =cste1
25 Ecrirel´
equation aux d´
eriv´
eespartiellesv´
eri´
ee parhenfaisantapparaˆ
ıtrela constante
co=mnoNo/
ρ
.Quelle est ladimension deco?
26 Oncherchelasolution del´
equation delaquestion 25 souslaforme complexe
h(x,t)=ho+h1exp[i(kx
ω
t]exp(
γ
t)
avec hoeth1deux r´
eelstelsque|ho||h1|,puisk,
ω
et
γ
troisparam`
etresr´
eels.D´
eterminerles
expressionsde
ω
et
γ
enfonction deu=kret
ω
o=co/(rtan(
α
)).
27 Aquelle condition surketrlasolution propos´
ee `
alaquestion pr´
ec´
edente est-ellestable ?
28 On notevgetv
ϕ
lesvitessesdegroupe etdephasedesrides´
eoliennesdansle cadredela
solution trivialeperturb´
ee d´
ecritedanslesquestions26 et27.D´
eterminerlarelation entrevg,v
ϕ
,
γ
et
r.
29 On dit dun milieu quil estdispersiflorsquela c´
el´
erit´
eduneonde en propagation dansce
milieu d´
epend desafr´
equence.Lesablevous semble-t-il ˆ
etreun milieu dispersifou non ?Onjustiera
soigneusementsar´
eponse.
FIN DELA PARTIEIII
FIN DE L´
EPREUVE
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